基于梁格法的某变宽连续箱梁桥静动载试验分析

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摘要：本文基于梁格理论建立某变宽连续箱梁桥的空间梁格模型，计算分析了该桥在设计活载及试验荷载作用下结构的静动力响应，根据试验结果和检测指标的对比分析，对该梁的承载能力进行综合评估与鉴定。

关键词：梁格理论；连续箱梁；试验荷载；承载能力；

中图分类号：U446.1 文献标识码：A

Loading Test and Analysis of a Variable-width Continuous Box Girder Bridge Based on Grillage Method

Lin Baicheng.etc

（Department of Civil Engineering, Guangzhou University, Guangzhou 510006,China）

Abstract: Based on beam grillage theory, The paper established a finite element model of continous box girder bridge, calculated and analysed the static and dynamic response of the bridge. Based on the comparison and analysis of test data and inspecting indicator, the load-bearing capacity was processed by comprehensive evaluation and appraisal.

Keywords：beam grillage theory ; continuous box girder; test load; load-bearing capacity

0引言

在公路互通和城市立交中，为适应复杂线形及宽度变化，变宽箱梁桥得到广泛的应用，这种结构常采用现浇预应力混凝土箱梁，箱室逐渐变宽的形式，由于内力分布不均匀，其结构受力分析比一般直线箱梁桥复杂很多。本文利用MIDAS/Civil软件和汉勃利(hambly)梁格理论[1]对一座变宽连续箱梁桥进行结构分析并评价其承载能力。

1工况概况

全桥总长248.14m，为4×30.5m+4×30.5m的两联八跨预应力混凝土等高度连续箱梁，箱梁采用单箱双室截面形式，梁高1.7m。桥面横向布置为0.5m（防撞栏）+12.25~15.75m（车行道）+0.5m（防撞栏）。下部结构为双柱式或独柱式圆形桥墩，框架桥台，钻孔灌注桩基础。该桥设计活载等级为城—A级汽车荷载，平面布置见图1。

图1桥梁平面布置图（单位：cm）

2有限元模型分析

汉勃利(hambly)梁格理论其于中性轴一致和刚度等效原则，将桥梁的上部结构用一个等效的梁格来模拟，把每一区域的抗弯和抗扭刚度集中在最邻近的梁格内，纵向刚度集中到纵向构件内，横向刚度集中到横向构件内[2]。由于梁格法容易在有限元软件中实现，且具有足够的精度，因此可以应用于工程计算分析。

基于梁格法划分原则，采用MIDAS/Civil软件建立主桥第二联4跨连续梁的空间杆系有限元计算模型，模型共划分为660个节点，1088个空间梁单元，梁格划分形式及有限元模型见图2。本文在模型建立过程中主要考虑了以下几点：

（1）纵梁划分

在进行箱梁结构的纵梁划分时，纵梁的中性轴应与原结构腹板重合，对于斜腹板的梁格布置，应设置在水平投影长度的中心。基于刚度等效原则，变宽箱梁在梁格划分后，各梁格截面特性总和应与箱梁整体截面的截面特性相吻合，使得等效梁格抗弯、抗扭刚度一致。此外，为了加载方便和准确计算桥型的自振频率，在悬臂端部设置虚拟纵梁，虚拟纵梁没有质量且刚度设置为一个很小的值，仅起到传递荷载的作用。

（2）横梁布置

横梁包括刚性梁与虚拟梁[3]。虚拟梁可采用工字形，顶底板各取箱梁上下板厚度，腹板取一很小值。虽然工字形的虚梁能很好地吻合实际结构，但仍需根据桥型结构，计算虚拟梁的刚度和抗扭系数，然后对各虚拟横梁的截面特性值进行调整，以达到对横向联系梁的模拟。对于跨中及墩顶部位的横隔板，采用刚性横梁进行模拟。

（3）边界条件

边界条件采用与实桥的支座形式一致，支座的模拟采用弹性连接法。在梁底支座实际支承的位置建立节点，并将支座节点向下复制一个支座高度生成支座底部节点，在新建立的梁底节点和支座底部节点间用一般弹性连接模拟（本文盆式支座刚度取1×108kN/m），最后将支座底部节点完全固结[4]。

（a）梁格划分

（b）梁格有限元模型

图2梁格划分形式与有限元模型

3 荷载试验与结果分析

3.1加载效率

本次试验根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》[5]（下文简称《评定规程》）的要求，由荷载效率η来确定试验的最大荷载，η取值在0.95~1.05之间。根据《评定规程》的建议，结合桥型特点、内力计算结果及现场实际情况，选取Z6#~Z8#轴两跨作为加载试验对象。加载方式采用逐级递增加载，共需要5辆重约360kN的重车，在Z6#~Z7#轴跨内，通过工况1~3使A-A截面正弯矩达到加载效率；在Z7#支点，通过工况4~6使B-B截面负弯矩达到加载效率；在Z7#~Z8#轴跨内，通过工况7~9使C-C截面正弯矩达到加载效率，加载载位见图3。

（a）工况1~3

（b）工况4~6

（c）工况7~9

图3试验加载车辆布置图（单位：cm）

3.2量测方案

试验内容包括：梁体控制截面的挠度、应变、固有频率及阻尼比。

（1）挠度测试截面选择在试验桥跨的支点、四分点及跨中位置等关键截面，共布置13个挠度变形测点，挠度测量采用二等水准测量，测试精度为0.1mm。

（2）应变测试截面选择在Z6#~Z7#跨中处的A-A截面、Z7#支点处的B-B截面及Z7#~Z8#跨中处的C-C截面，各测试截面布置5个应变测点，共计20个应变测点。应变测试采用钢弦应变计。

（3）动载测试的测点布置在试验桥跨的四分点及跨中位置处，采用DASP动态测试与分析系统进行。

3.3试验结果与分析

（1）挠度测试结果

在最大试验工况下，试测桥跨各挠度测点实测值与理论值对比见表1。可见，各加载阶段满载阶段下，Z6#~Z7#桥跨主要测点挠度校验系数在0.58~0.74之间，Z7#~Z8#桥跨主要测点挠度校验系数在0.67~0.77之间，均能满足《评定规程》的要求。

表1最大试验工况下挠度实测值与理论值

（2）应变测试结果

在最大试验工况下，试测桥跨各应变测点实测值与理论值对比见表2。可见，各加载阶段满载阶段下，各截面主要测点应变校验系数在0.57~0.60之间，均能满足《评定规程》的要求。

表2最大试验工况下挠度实测值与理论值

（3）动载试验结果

测试桥跨动力特性试验结果见表3。

表2试验桥跨动力特性试验结果

可见，该桥的实测一阶自振频率在4.29~4.49之间，阻尼比在1.48%~2.16%之间，而对应的理论一阶频率为3.88Hz，实测频率大于理论计算值，说明该桥振动响应较小，行车性能良好。

4 结论

（1）结合上述试验结果，该桥各项试验检测指标均能满足《评定规程》的要求，表明其行车及静力工作性能良好，并具有一定的承载能力储备。

（2）通过对实测数据与理论计算数据变化趋势的比较，说明本文所采用的基于梁格法的有限元模型能较好的反映单箱双室变截面箱梁桥的受力特点。

（3）由于梁格法对刚度等效的要求，给变宽箱梁的截面划分及刚度调整带来一些麻烦，但与板壳、实体单元相比，梁格法更加简便、实用，且精确也能满足工程要求，因此可以很好地用于变宽箱梁桥的计算分析。

参考文献

[1] E. C. 汉勃利［英］． 敦文辉，译. 桥梁上部构造性能[M]. 人民交通出版社. 1982

[2] 尹树桃，许福友. 基于梁格法的变宽异型箱梁结构分析[J]. 山东交通学院学报. 2010，03：52-56

[3] 勾风山，胡朝辉. 基于梁格法的某斜交变宽连续箱梁桥荷载试验分析[J]. 铁道观察. 2011，05：90-92

[4] 邱顺冬.桥梁工程软件midas Civil常见问题解答[M]. 北京：人民交通出版社,2009.

[5] JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S]

作者简介：林柏成（1988—），男，广东省茂名市人，硕士研究生，主要研究桥梁性能评估与检测。